面對5G基站巨大的耗電挑戰(zhàn)，GaN是業(yè)界需要的英雄

當(dāng)前，移動(dòng)通信領(lǐng)域正在發(fā)生巨大變化：第五代蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（也稱為5G）服務(wù)在陸續(xù)推出。消費(fèi)者目前已經(jīng)開始體驗(yàn)5G技術(shù)的優(yōu)勢，它不僅能夠憑借超快的下載速度與固網(wǎng)寬帶匹敵，而且將來還可能在蜂窩網(wǎng)絡(luò)服務(wù)區(qū)域內(nèi)支持更高密度的移動(dòng)設(shè)備和互連的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備。

這種發(fā)展一方面在給消費(fèi)者帶來令人興奮的好處，但在幕后，業(yè)界向5G的轉(zhuǎn)變也充滿了挑戰(zhàn)、高成本以及其他爭議。例如無線電頻譜許可的分配［1］，關(guān)于用戶在使用5G時(shí)帶來的健康風(fēng)險(xiǎn)由于溝通不善而引發(fā)恐慌［2］等等，國際貿(mào)易競爭對手之間對網(wǎng)絡(luò)安全的擔(dān)憂以及產(chǎn)生的后果［3］等問題也在困擾著向5G的遷移過程。

毫無疑問，5G對于蜂窩網(wǎng)絡(luò)和其他運(yùn)營商而言都將是一項(xiàng)有利可圖的業(yè)務(wù)，但也需要大量的前期投資來升級(jí)、改進(jìn)和替換現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。不僅網(wǎng)絡(luò)檢修的前期成本可能會(huì)使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商徹夜難眠，而且還會(huì)包括持續(xù)發(fā)生的運(yùn)營支出等問題。5G網(wǎng)絡(luò)比4G將消耗更多的電力，這是一個(gè)不可回避的事實(shí)。實(shí)際上，根據(jù)預(yù)測，5G的功率消耗將增加近70％??（見圖1）。例如，一個(gè)4G基站可能需要大約7kW的功率，而一個(gè)5G基站將需要超過11kW的功率，如果基站需要承載多個(gè)信道，其功率消耗甚至可能高達(dá)20kW。

圖1：典型5G通信基站的功率消耗（來源：華為）。

所有要求都在提高

盡管5G網(wǎng)絡(luò)通常比第四代通信技術(shù)效率更高，但每個(gè)小區(qū)（cell）由于容量增大將導(dǎo)致整體功率消耗大幅上升。導(dǎo)致這些的原因是由于在每個(gè)無線電信道上使用了大規(guī)模多輸入多輸出（Massive MIMO）天線來改善信號(hào)質(zhì)量。與通常使用4T4R（4個(gè)發(fā)射器，4個(gè)接收器）的4G基站相比，5G基站使用64T64R。

因此，可以明確地看到為什么5G對電力需求如此之高。一些5G網(wǎng)絡(luò)提供商在搭建網(wǎng)絡(luò)和提供服務(wù)時(shí)對于MIMO苦不堪言，甚至在討論是否可以將基站的收發(fā)器數(shù)量降低為32T32R以節(jié)省功率，但這樣會(huì)極大地限制網(wǎng)絡(luò)容量。

除了使現(xiàn)有基站的功率需求增加以外，令問題更加復(fù)雜的另一個(gè)挑戰(zhàn)是需要比以往數(shù)量更多的基站。這其中部分原因是由于5G技術(shù)特有的無線電波長更加受限，這意味著需要更高的基站密集度才能為特定區(qū)域提供有效覆蓋。建設(shè)這些新基站，并安裝支持它們的電網(wǎng)而導(dǎo)致的成本也將是非常高昂。

最后，還存在電源問題。即使所需的總功率僅增加一倍，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的3kW 48VDC電源也將嚴(yán)重不足。因此，需要在與現(xiàn)有設(shè)備大致相當(dāng)?shù)目臻g內(nèi)顯著提高功率密度，以輸送所需的更高功率。

轉(zhuǎn)向邊緣網(wǎng)絡(luò)

隨著越來越大強(qiáng)的處理能力轉(zhuǎn)移到實(shí)際發(fā)生數(shù)據(jù)收集的邊緣網(wǎng)絡(luò)，5G通信將在網(wǎng)絡(luò)地圖方面發(fā)生重大變化（見圖2）。不僅需要額外的硬件來實(shí)施5G技術(shù)，而且各個(gè)基站本身也將需要更多的計(jì)算能力來支持新一代移動(dòng)寬帶提供的更廣泛服務(wù)。隨著運(yùn)營商已經(jīng)開始部署邊緣計(jì)算，每個(gè)基站的電源架構(gòu)也需要仔細(xì)考慮。

圖2：5G生態(tài)系統(tǒng)中的開關(guān)模式電源（SMPS）。

更高功率密度，更少熱量？

從上述討論所涉及的觀點(diǎn)來看，很明顯，未來仍將面臨一些艱巨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。只有通過提高功率轉(zhuǎn)換的效率，才能支持所需的輸入功率，并且有助于在相同的空間內(nèi)提供更高功率。而實(shí)現(xiàn)這一高轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵在于，將氮化鎵（GaN）寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)與尖端的表面貼裝器件（SMD）封裝完美地結(jié)合。

與通孔器件（THD）不同，表面貼裝器件直接安裝在PCB表面，消除了通孔和引線，并可以在同樣空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多功能，使電路板上有更多可用空間，因而能夠提高功率密度。

但是，提高功率密度可能是一把雙刃劍，因?yàn)楦吖β拭芏韧ǔ硐鄳?yīng)的高熱密度。只有在熱密度保持不便或盡可能減小的情況下，通過給定區(qū)域提供更高的功率才真正有意義。SMD封裝在這方面具有顯著優(yōu)勢，因?yàn)樗梢允狗庋b頂部直接與由鋁等材料制成的外殼接觸來實(shí)現(xiàn)冷卻，這為熱量從晶體管結(jié)散發(fā)到環(huán)境空氣提供了一條更短的路徑。

在表面貼裝器件中如果使用傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體將無法實(shí)現(xiàn)較低的熱密度，即使封裝技術(shù)得到不斷改進(jìn)，并能夠提供更好的導(dǎo)熱性，硅半導(dǎo)體器件仍將受到工作溫度的限制，除非半導(dǎo)體材料能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的開關(guān)。雖然Si MOSFET已達(dá)到效率的上限，但碳化硅（SiC）和GaN等新型寬帶隙半導(dǎo)體則能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率。

在SMD封裝下，GaN具有某些特定的物理特性，與硅器件相比，GaN能夠以更高的頻率開關(guān)更高的功率，并且具有更低的導(dǎo)通電阻（RDS（on））和更低的開關(guān)損耗。由于功率轉(zhuǎn)換器可以在更高頻率下工作，電路中所需的磁性分立元件數(shù)量大幅減少，因此能夠簡化電源拓?fù)浼軜?gòu)，從而實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。此外，GaN固有的高效率意味著在大多數(shù)情況下可以降低熱密度。

圖3：GaN可提供更高的功率密度和更高的轉(zhuǎn)換效率。

圖3所示為50％負(fù)載條件下3kW 48V電源（PSU）所有可能功率密度和效率組合的帕累托分析（Pareto analysis），從中可以看出，與最先進(jìn)的Si MOSFET解決方案相比，在功率轉(zhuǎn)換解決方案中使用英飛凌的CoolGaN能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率，更高的功率密度，或兩者兼而有之。

因此，很明顯，用SMD封裝實(shí)現(xiàn)的GaN器件可以完美滿足5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的苛刻要求，并且能夠使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商即便在最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用場合也可以提供5G的強(qiáng)大功能。

　　參考資料

［1］ 華爾街日報(bào)，2019年11月11日

（https://www.wsj.com/articles/u-s-government-is-tripping-over-itself-in-race-to-dominate-5g-technology-11573527840）

［2］ 紐約時(shí)報(bào)，2019年7月16日

（https://www.nyTImes.com/2019/07/16/science/5g-cellphones-wireless-cancer.html）

［3］ 科技媒體The Verge，2018年8月13日

（https://www.theverge.com/2018/8/13/17686310/huawei-zte-us-government-contractor-ban-trump